陆海林 段芳莉

(重庆大学, 机械传动国家重点实验室, 重庆 400030)

应用从头算分子动力学方法, 模拟了在挤压剪切作用下石墨烯片层作为润滑剂添加于硅基材料界面的摩擦过程, 研究了水分子和石墨烯表面氧化对石墨烯片层运动行为的影响. 干燥环境下, 压强较大时单纯石墨烯片层才会出现滑移, 而氧化石墨烯片层在低压强下就开始滑移. 潮湿环境下, 界面结构影响水分子的整体分布和运动状态, 而水分子的运动状态又影响氧化石墨烯片层的运动行为. 由于二氧化硅表面羟基取向角较大, 使得水分子在挤压剪切作用下偶极矩角变大, 从而导致其与氧化石墨烯片层之间的结合强度削弱, 二者之间出现相对滑移. 石墨烯片层运动行为的改变引起了剪切面的转变. 通过对石墨烯片层沿滑移方向上的速度波动幅度的分析, 发现其与摩擦系数之间存在正相关性.

1 引 言

近年来微纳机电系统(micro/nano-electromechanical systems, MEMS/NEMS)的能效和耐用性得到了广泛的研究. 当MEMS/NEMS中的两个组件接触时, 由于摩擦学问题(如粘附、摩擦和磨损)而发生故障的可能性增加. 硅基材料作为其中重要的组成部分[1], 其摩擦学特性强烈地依赖于环境条件, 包括温度、压力和相对湿度等, 得到了广泛的研究. 由于MEMS/NEMS表面积与体积的比例在微观尺度上很大, 摩擦和磨损对微观尺度设备的影响较为复杂, 使得传统的润滑方法失效[2].实验中通常考虑在摩擦界面之间添加固体润滑剂来避免组……